(57)【要約】      （修正有）【課題】  ワークの保管場所の環境をも勘案して超音波接合を行う際の加工条件を変更することによって、常に信頼性の高い超音波接合が可能な超音波接合装置及び超音波接合方法の提供。【解決手段】  超音波接合装置は、ワークの保管場所の温度を検出する温度検出手段と、保管場所の湿度を検出する湿度検出手段と、ワークの保管中、保管場所の温度と湿度とを記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶されている温度と湿度とを勘案してワークにおける超音波接合の加工条件を演算する加工条件演算手段とで構成する。【選択図】図１
2006181622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの保管場所の温度を検出する温度検出手段と、
当該保管場所の湿度を検出する湿度検出手段と、
当該ワークの保管中、前記保管場所の温度と湿度とを記憶する記憶手段と、
当該記憶手段に記憶されている温度と湿度とを勘案して前記ワークにおける超音波接合の加工条件を演算する加工条件演算手段と、
を有することを特徴とする超音波接合装置。
【請求項２】
前記加工条件演算手段は、
前記記憶手段に記憶されている温度と湿度とに基づいて前記保管場所の絶対湿度を演算する絶対湿度演算手段と、
絶対湿度と接合材料相互間の摩擦係数との関係を基準データとして記憶する基準データ記憶手段と、
を備え、前記加工条件は、演算された絶対温度と記憶されている基準データとから演算することを特徴とする請求項１に記載の超音波接合装置。
【請求項３】
前記記憶手段は、前記温度と湿度とを前記ワークに超音波接合を施す前の一定時間だけ時系列に記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
【請求項４】
前記絶対湿度は、記憶されていた各時刻における温度と湿度とから求められた絶対湿度の平均値であることを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置。
【請求項５】
前記加工条件は、超音波接合時前記ワークの接合部に与える振動の振幅であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波接合装置。
【請求項６】
前記加工条件演算手段は、前記絶対値演算手段によって演算された絶対湿度が一定の範囲内にないときには超音波接合が不可能である旨を報知する報知手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の超音波接合装置。
【請求項７】
ワークの保管場所の温度と湿度とを検出し、
当該検出した温度と湿度とを記憶し、
記憶した温度と湿度とを勘案して前記ワークにおける超音波接合の加工条件を演算することを特徴とする超音波接合方法。
【請求項８】
前記加工条件の演算は、
記憶されている温度と湿度とに基づいて前記保管場所の絶対湿度を演算し、
演算された絶対湿度をあらかじめ準備した絶対湿度と接合材料相互間の摩擦係数との関係を示す基準データと照合することによって行うことを特徴とする請求項７に記載の超音波接合方法。
【請求項９】
前記加工条件の演算は、
さらに、演算された絶対湿度が一定の範囲内にあるときにのみ行うことを特徴とする請求項８に記載の超音波接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークの保管場所の絶対湿度をも勘案して超音波接合の加工条件を演算するようにした超音波接合装置及び超音波接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ワーク同士を超音波接合する場合には、現場の温度と湿度とを一定の範囲に管理することによって、常に同一の加工条件で接合作業ができるようにしている。さらに、下記特許文献１に示してあるように、超音波接合がきちんと行われているか否かを、接合作業中に確認しながら行うことによって超音波接合の信頼性を維持している。
【特許文献１】特開２０００−２０２６４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的に、ワークは加工現場とは異なる保管場所に保管されており、接合作業を行うときに保管場所から加工現場に搬送されてくる。ところが、保管場所は加工現場とは異なり温度と湿度の管理はされていない。このため、保管場所から搬送されてきたワークに対し即座に接合作業を施す場合には、ワークが加工現場の環境にはまだ馴染んでいない状態のまま超音波接合が行われることになるから、最適な状態で超音波接合を行うことができない。
【０００４】
これを防止するためには、ワークを加工現場の環境に馴染むまで長時間ストックしておく方法、保管場所の温度と湿度も加工現場と同様に管理する方法が考えられるが、前者はストック場所を確保しなければならず、後者は空調設備を設置する必要があり、どちらの方法もコストアップにつながる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題を解消するために成されたものであり、ワークの保管場所の環境をも勘案して超音波接合を行う際の加工条件を変更することによって、常に信頼性の高い超音波接合が可能な超音波接合装置及び超音波接合方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合装置は、ワークの保管場所の温度を検出する温度検出手段と、当該保管場所の湿度を検出する湿度検出手段と、当該ワークの保管中、前記保管場所の温度と湿度とを記憶する記憶手段と、当該記憶手段に記憶されている温度と湿度とを勘案して前記ワークにおける超音波接合の加工条件を演算する加工条件演算手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
温度検出手段はワークの保管場所の温度を、湿度検出手段はワークの保管場所の湿度をそれぞれ検出し、検出された温度と湿度は記憶手段に記憶する。ワークにおける超音波接合の加工条件は、保管中に検出された温度と湿度を勘案して演算される。このため、ワークの保管場所の環境と加工現場の環境が相違していたとしても、超音波接合は最適な加工条件の下で行われることになり、必要な接合強度を備えた超音波接合ができることから、接合された材料同士が剥がれることはない。
【０００８】
また、上記目的を達成するための本発明に係る超音波接合方法は、ワークの保管場所の温度と湿度とを検出し、当該検出した温度と湿度とを記憶し、記憶した温度と湿度とを勘案して前記ワークにおける超音波接合の加工条件を演算することを特徴とする。
【０００９】
上記の超音波接合装置と同様に、ワークにおける超音波接合の加工条件は、保管中に検出された温度と湿度を勘案して演算される。このため、ワークの保管場所の環境と加工現場の環境が相違していたとしても、超音波接合は最適な加工条件の下で行われることになり、必要な接合強度を備えた超音波接合ができることから、接合された材料同士が剥がれることはない。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように構成された本発明に係る超音波接合装置によれば、ワークの保管場所の環境と加工現場の環境が相違していたとしても、必要な接合強度を備えた信頼性の高い超音波接合が可能となる。
【００１１】
同様に、本発明に係る超音波接合方法によれば、ワークの保管場所の環境と加工現場の環境が相違していたとしても、必要な接合強度を備えた信頼性の高い超音波接合が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る超音波接合装置及び超音波接合方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る超音波接合装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１３】
ワークの保管場所１０には保管場所１０の環境を検出するため温度センサ１２と湿度センサ１４とが設けられている。温度センサ１２と湿度センサ１４とは図示されていないワーク（たとえば扁平型電池）の保管環境を検出するために設けたものであるから、できるだけワークの近くに設けるのが好ましい。ワークの保管中、たとえばワークに超音波接合を施す前の一定時間の間に検出された温度と湿度とは記憶手段として機能する記録部１６に時系列で記憶される。記録部１６は温度と湿度に関するデータが一定時間、たとえば２〜３時間分記憶できる程度の記憶容量を有している必要がある。当該データの記憶はＦＩＦＯ（先入れ先出し）方式で行われ、記憶のインターバルは短いほうが好ましいが、記憶容量の節約とある程度の正確なデータを得ることを考慮すると数分程度のインターバルに設定することが望ましい。記録部１６で記録した温度と湿度とに関するデータは加工現場にオンラインで送信することもできるし、ＣＤ-Ｒなどの記録媒体１８に記憶させて持ち運ぶこともできる。なお、本明細書において、保管中とは、ワークを保管場所１０に保管している間はもちろんのこと、ワークを保管場所１０から加工現場３０まで搬送している間、さらには加工現場３０で超音波接合作業が行われるまでの間を含むものとする。温度センサ１２、湿度センサ１４および記録部１６は、ワークに取り付けて搬送可能な小型のものが好ましく、加工現場３０の読込部３６との通信が無線で行えるものが好ましい。
【００１４】
加工現場３０は保管場所１０から搬送されてきたワークに超音波接合の加工を施す場所であり超音波接合機３２が設置されている。超音波接合機３２は超音波接合制御部３４によってその動作が制御される。加工現場３０には読込部３６が設けられているが、読込部３６と記録部１６とがワイヤレスで接続されている場合には、読込部３６は無線通信回線５０を介して記録部１６に記録されている温度と湿度に関するデータを読み込む。一方、記録媒体１８を用いる場合には、読込部３６は記録部１６で記憶媒体１８に記憶させた温度と湿度に関するデータを読み込む。なお、読込部３６と記録部１６とは有線方式で接続されていても良い。
【００１５】
絶対湿度演算部３８は、読込部３６で読み込んだ温度と湿度とに関するデータに基づいて保管場所１０の絶対湿度を演算する。温度と湿度とに関するデータの蓄積は一定時間経過する度に行われているから、温度と湿度に関するデータはある時刻のものが時系列に整列されたものとなっている。したがって、演算される絶対湿度もある時刻ごとのものとなる。絶対温度は次のようにして演算する。
【００１６】
まず、検出された温度をＴｃ（℃）、検出された湿度（相対湿度）をＨｒ（％）とすると、絶対湿度Ｈａ（％）は、
Ｈａ＝４・１０−３・ｅ０．０６．４・Ｔｃ・Ｈｒ
を計算することによって求めることができる。なお、絶対湿度とは乾燥空気に対する含有水分の重量比である。たとえば、図２に示されているように、超音波接合開始時点（０ｈｒ）から二時間前（−４８ｈｒ）までの絶対湿度Ｈａは実線に示すようなものとなる。
【００１７】
基準データ記憶部４０は絶対湿度と接合材料相互間の摩擦係数との関係を基準データとして記憶する。一般的に、絶対湿度が異なると超音波接合の対象とされる接合材料相互間の摩擦係数が変化する。絶対湿度とワークにおける接合材料相互間の摩擦係数との関係は、ワークの材質によって異なり実験によって求めるが、その変化状態は、たとえば図３に示すようなものとなる。絶対湿度がＨａｍｉｎからＨａＳまでの間は摩擦係数μがμｍｉｎからμｍａｘまで上昇し、絶対湿度がＨａＳからＨａｍａｘまでの間は摩擦係数μが逆にμｍａｘからμｍｉｎまで下降する。なお、絶対湿度がＨａｍｉｎのときにはもはや信頼性の高い超音波接合をすることができない程度の摩擦係数μｍｉｎしか得られず、絶対湿度がＨａＳのときには信頼性の高い超音波接合をすることができる最大の摩擦係数μｍａｘが得られる。
【００１８】
振幅演算部４２は、絶対湿度演算部３８で演算された各時刻の絶対湿度からその平均値を求めその平均値があらかじめ定められた数値範囲（図３のＨａｍｉｎからＨａｍａｘまでの間）に入っているか否かを判断する。たとえば、絶対湿度の平均値は、下記の式、図２の場合では、過去４８時間の絶対湿度Ｈａの値を積分しそれを時間で割ることによって求める。
【００１９】
【数１】
2006181622.tif 000003
【００２０】
そして、絶対湿度の平均値があらかじめ定められた数値範囲に入っていなければ、すなわち、絶対湿度Ｈａの平均値がＨａｍａｘよりも大きいか、または絶対湿度Ｈａの平均値がＨａｍｉｎよりも小さい場合には、摩擦係数μが信頼性の高い超音波接合を行うための最低限の摩擦係数μｍｉｎを下回っており、超音波接合時に十分な摩擦発熱を得ることができないため、接合不良を避ける意味で表示部４４に超音波接合が不可能である旨を表示させる。このときには、同時に加工現場３０の設備を停止させても良い。このときの振幅演算部４２と表示部４４とは報知手段を構成する。
【００２１】
一方、絶対湿度の平均値があらかじめ定められた数値範囲に入っていれば、求めた絶対湿度の平均値を、基準データ記憶部４０に記憶されている絶対湿度と接合材料相互間の摩擦係数との関係に照らし、その絶対湿度の平均値での摩擦係数を求め、その摩擦係数から最適な超音波接合が可能な超音波の振幅を求める。すなわち、Ｈａｍａｘ≧絶対湿度Ｈａの平均値≧Ｈａｍｉｎの場合に、その摩擦係数において接合エネルギーが最適値であるＥｓとなるような振幅の大きさを求める。この振幅の大きさは下記の式によって求められる。
【００２２】
あらかじめ行った実験によって絶対湿度Ｈａと摩擦係数μとの関係（μ＝ｆ（Ｈａ））が明確にされているので、図３に示すように、摩擦係数μが最大（μ＝μｍａｘ）となる絶対湿度はＨａＳであることがわかる。絶対湿度はＨａＳのときの加工条件を最適な加工条件として求めておく。工具が材料に加える加圧力をＰ、振幅をξ、振動速度をｖ、接合時間をｔ、とすると、一般的に超音波接合のエネルギーＥは、
【００２３】
【数２】
2006181622.tif 000004
【００２４】
で表されるから、加圧力Ｐ、周波数ｆ、接合時間ｔが一定の場合には、
【００２５】
【数３】
2006181622.tif 000005
【００２６】
＝ｃｏｎｓｔ・μ・ξ
で表される。ただし、ｃｏｎｓｔは定数を意味する。
【００２７】
したがって、Ｅｓ＝ｃｏｎｓｔ・μ・ξ
＝ｃｏｎｓｔ・ｆ（Ｈａ）・ξとなる。
【００２８】
よって、ξ＝Ｅｓ／｛ｃｏｎｓｔ・ｆ（Ｈａ）｝の式が成立するように振幅を調整する。求めた振幅は超音波接合制御部３４に送られ、超音波接合制御部３４はこの振幅で超音波接合機３２を動作させ、ワークの接合部に振動を与える。これによって、絶対湿度Ｈａが変化しても超音波接合時に最適な接合エネルギーを発生させ良好な超音波接合をすることができる。
【００２９】
次に、図４〜図７のフローチャートに基づいて本発明に係る超音波接合装置の動作を説明する。なお、これらのフローチャートは本発明に係る超音波接合方法の手順も示しているものである。
【００３０】
図４は、図１に示した超音波接合装置のメインフローチャートである。このフローチャートに示すように、まず、絶対湿度と摩擦係数との関係を求める準備実験を行って、基準データ記憶部４０に記憶させるべき基準データを用意する（Ｓ１０）。次に、ワークを保管している間の保管場所における温度と湿度とを一定の時間に渡って記録する（Ｓ２０）。そして、記録された保管時におけるワークの温度と湿度とを勘案して超音波接合の最適な加工条件を求め、その加工条件で超音波接合を行う（Ｓ３０）。
【００３１】
図５は、図４のステップ１０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。まず、絶対湿度Ｈａと摩擦係数μとの関係を明確にするための実験を行ない（Ｓ１１）、その実験のデータから摩擦係数が最大となる（μ＝μｍａｘ）絶対温度ＨａＳを求める（Ｓ１２）。絶対温度がＨａＳの時の最適な加工条件（加圧力Ｐｓ、振幅ξ・時間ｔｓ）を求め（Ｓ１３）、最適な超音波エネルギーＥｓを求める（Ｓ１４）。次に、超音波溶接の品質に問題がないと思われる摩擦係数の下限値μｍｉｎを求め、同時に、超音波溶接の品質に問題がないと思われる絶対湿度の範囲Ｈａｍｉｎ〜Ｈａｍａｘの範囲を明らかにする（Ｓ１５）。
【００３２】
図６は、図４のステップ２０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。温度センサ１２と湿度センサ１４によってワーク保管中の温度Ｔｃと湿度Ｈｒとを測定し、その測定値を一定時間時系列に記憶する（Ｓ２１）。記憶されている温度Ｔｃと湿度Ｈｒとから各時刻における絶対湿度Ｈａを算出し、記録する（Ｓ２２）。Ｓ２１とＳ２２の処理はワークの保管が開始されてから４８時間経過するまで行われる（Ｓ２３：ＮＯ）。ワークの保管が開始されてから４８時間経過したら（Ｓ２３：ＹＥＳ）、求めた絶対湿度Ｈａを積分しそれを時間で割って絶対湿度の平均値を算出する（Ｓ２４）。以降、ワークの接合が開始されるまで、最新の４８時間のＴｃとＨｒを元に絶対温度の平均値算出処理を繰り返す。
【００３３】
図７は、図４のステップ３０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。振幅演算部４２は、求めた絶対湿度の平均値が、超音波溶接の品質に問題がないと思われる絶対湿度の範囲Ｈａｍｉｎ〜Ｈａｍａｘ内にあるか否かを判断し（Ｓ３１）、絶対湿度の平均値がＨａｍｉｎ〜Ｈａｍａｘ内になければ（Ｓ３１：ＮＯ）、「接合不可」のメッセージを表示部４４に向けて出力し同時に超音波接合の設備を停止させる（Ｓ３２）。一方、絶対湿度の平均値がＨａｍｉｎ〜Ｈａｍａｘ内にあれば（Ｓ３１：ＹＥＳ）、最適な接合エネルギーを得ることができる振幅をξ＝Ｅｓ／｛ｃｏｎｓｔ・ｆ（Ｈａ）｝の式によって求める（Ｓ３３）。振動演算部４２は求めた振幅を超音波接合制御部３４に送り、超音波接合部３４はその振幅で超音波接合機３２のホーンを振動させる。なお、超音波接合機３２のホーンとアンビルとの間の加圧力、周波数、時間は図５のＳ１３のステップで求めたものを用いる（Ｓ３４）。
【００３４】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３５】
銅とアルミの薄板を重ね合わせた鉄板を一定の温度と湿度とで４８時間保管した後、摩擦係数の測定を子なった結果は、図８に示すようなものとなった。本実施例の場合、最大摩擦係数μｍａｘ＝０．６、絶対湿度ＨａＳ＝１．２％である。図４のグラフの右肩部の線形近似を行うと、μ＝−１７．１２２Ｈａ＋０．８１２５という関係式が得られた。ＨａＳ＝１．２％の材料に対して加圧力、振幅、接合時間を変えて総合実験を行った結果、最適接合条件は加圧力ｐ＝２００Ｋｐａ、ξ＝２２μｍ、ｔ＝０．２ｓｅｃとなった。つぎに、次式で超音波接合のエネルギーＥｓを求めると、
【００３６】
【数４】
2006181622.tif 000006
【００３７】
＝１１０Ｊ    ただしｆ＝２０ＫＨｚである。
【００３８】
Ｅｓ＝ｃｏｎｓｔ・μｍａｘ・ξより、ｃｏｎｓｔ＝８．３３×１０６Ｎとなる。
【００３９】
また、μが小さいときの接合実験を行った結果、正常な接合品質が得られる摩擦係数の下限μｍｉｎ＝０．３、このときのＨａｍｉｎ＝０．２％、Ｈａｍａｘ＝３．０％であった。次に、生産を行うワークを対象に、接合実施４８時間前から接合実施時まで被接合材料の置かれた温度Ｔｃ、湿度Ｈｒを連続して測定し、記録してそれぞれの時刻における絶対湿度Ｈａを算出した結果、図９に示すようなグラフとなった。このグラフにおいて実線で示されている折れ線状の直線は各時刻における絶対湿度の変化状態を示す直線であり、水平に引かれている実線は絶対湿度の平均値でありこのグラフでは２．３％である。この場合、絶対湿度の平均値２．３％がＨａｍｉｎ＝０．２％、Ｈａｍａｘ＝３．０％の間に入っているので超音波接合は可能である。μ＝ｆ（Ｈａ）であるので、μ＝−１７．１２２Ｈａ＋０．８１２５＝０．４１９、また、ξ＝Ｅｓ／｛ｃｏｎｓｔ・ｆ（Ｈａ）｝の関係式より、ξ＝１１０Ｊ／８．３３・１０６Ｎ・０．４１９＝３１．５μｍとなる。したがって、絶対湿度の平均値２．３％のときには振幅を２２μｍ（平均値１．２％の時の最適加工データ）から３１．５μｍに変えて超音波接合を行う。
このように、本発明では、超音波接合を行うに際し、その接合の加工条件をワークの保管場所の温度及び湿度を勘案して最適な加工条件を作成しているので、保管場所の環境の如何によらず安定した超音波接合の接合品質を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、超音波接合の品質維持の技術として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る超音波接合装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】絶対湿度の変化状態を示すグラフである。
【図３】絶対湿度と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示した超音波接合装置のメインフローチャートである。
【図５】図４のステップ１０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。
【図６】図４のステップ２０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。
【図７】図４のステップ３０の動作を示すサブルーチンフローチャートである。
【図８】本発明の実施例に係る絶対湿度と摩擦係数との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施例に係る絶対湿度の変化状態を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０    保管場所、
１２    温度センサ、
１４    湿度センサ、
１６    記録部、
１８    記録媒体、
３０    加工現場、
３２    超音波接合機、
３４    超音波接合制御部、
３６    読込部、
３８    絶対湿度演算部、
４０    基準データ記憶部、
４２    振幅演算部、
４４    表示部、
５０    オンライン回線。
【図１】
2006181622.tif 000007
【図２】
2006181622.tif 000008
【図３】
2006181622.tif 000009
【図４】
2006181622.tif 000010
【図５】
2006181622.tif 000011
【図６】
2006181622.tif 000012
【図７】
2006181622.tif 000013
【図８】
2006181622.tif 000014
【図９】
2006181622.tif 000015